Трехфазный регулятор мощности с импульсно-фазовым управлением

Зачастую востребованной является схема управления мощностью с минимальным интервалом отсутствия подачи напряжения. Примерами таких ситуаций может быть управление группами ламп накаливания, особо чувствительных к колебаниям в сети нагревателей, сварочным оборудованием, электроприводом, мощными электромагнитами с трехфазным питанием. В данном случае,  ценой искажения синусоидального напряжения, добиваются минимальных интервалов паузы.

Для примера можно обратиться на следующую тему форума, где автор темы Vusa применил схему импульсно-фазового управления трехфазным трансформатором  для реализации сварочного процесса. Автор этой темы дал ссылку на журнал Радио, где исходная схема была опубликована ещё в далеком 1986 году №8.  В настоящей статье делается попытка более простой, на мой взгляд, реализации этого метода импульсно-фазового управления, что, в немалой степени,  достигается применением оптосимисторов вместо импульсных трансформаторов при совместном управлении трехфазным напряжением. Эта схема была применена для управления питанием выпрямителя типа ВАКР регулирования тока гальванического процесса. ВАКР представляет собой мощный трехфазный трансформатор, к вторичной обмотке которого (~24В), подключен выпрямитель на  ток  1000 и более ампер. Выпрямитель состоял из тиристоров таблеточного типа с возможностью переполюсовки, т.е. смены полярности выпрямляемого напряжения, что необходимо для реализации требуемого гальванического процесса. Регулирование выполнялось по вторичной сети силового трансформатора и, для формирования требуемых сигналов управления силовыми тиристорами, применялись симисторы меньшей, промежуточной мощности (обозначены на схеме как V1, V2 и V3). Способ переполюсовки оставим, как говориться, «за кадром», концентрируя внимание на принципе работы самой схемы импульсно-фазового управления, поскольку,  именно эта ее часть является универсальной и применимой в различных областях, выше указанных.

Рис. 1

Единое для всех фаз управление задается частотой генератора на DD1.1 , которая находится в пределах 10000 – 2000 Гц. Частота генератора поступает на три счетчика импульсов DD2, DD3, DD4 с коэффициентом пересчета 16 . Поскольку сброс каждого счетчика осуществляется синхроимпульсом «своей» фазы, формируемая счетчиками паузы оказываются синхронизированы с соответствующими переходами фазных напряжений через ноль.  При появлении старшего разряда счетчика имеем импульс управления симистором соответствующей фазы, очевидно, длительностью, которая зависит от частоты задающего генератора DD1 . После заполнения всех разрядов происходит переполнение счетчика и процесс циклически повторяется (до прихода «сбросового» импульса синхронизации). Таким образом, каждый счетчик является своеобразным задатчиком паузы от перехода напряжения через ноль до подачи импульса управления. Для формирования импульсов перехода через ноль применены трансформаторы Т1-Т3, на одном из которых формируется напряжение питания схемы. Эти трансформаторы, одним полюсом, естественно, подключаются к первичному напряжению соответствующей фазы и могут быть заменены на общий трансформатор трехфазного исполнения. Если управление предполагается осуществлять силовыми тиристорами (симисторами) по вторичной стороне, то для формирования синхроимпульсов вполне подойдет напряжение силового трансформатора. И, напротив, при управлении на первичных напряжениях можно обойтись и без трансформаторов, реализуя варианты формирования синхроимпульсов описанных в [ 1 ] , с помощью резисторов с стабилитроном и диодами и такая схема формирования синхроимпульсов будет даже предпочтительнее, поскольку получаемые с ее помощью синхроимпульсы будут более четко выраженными и  короткими по времени.

Несмотря на тот факт, что схема рис 1 формирует повторяющиеся импульсы управления (при высоких частотах генератора D1)  с длительностью, которая увеличивается с уменьшением частоты задающего генератора D1,  этих свойств схемы может оказаться недостаточно для управления нагрузкой с значительной индуктивной составляющей (трансформатор, электромагнит, электродвигатель, ( гальванический раствор- чисто активная нагрузка)). В этом случае большей универсальностью может обладать схема, представленная на рис 2. Здесь, после прихода первого управляющего импульса со счетчика происходит его фиксация с помощью соответствующего RS триггера до конца текущего полупериода. Сброс триггеров, очевидно, будет происходить по приходу нулевого напряжения соответствующей фазы.

Рис. 2

Рассмотрим, наконец, как с помощью описанного регулятора можно реализовать устройство плавного пуска асинхронного электродвигателя. Устройства плавного пуска УПП являются одними из наиболее востребованных в приводной технике. От них зависит долговечность работы, связанных с электроприводом механических систем. Часто вместо УПП устанавливают частотный привод, что не всегда оказывается экономически оправдано. Чтобы превратить наш регулятор (рис 1 ) в УПП , следует обратить внимание на генератор DD1.1/ В литературе [ 2] приведены схемы использования полевых транзисторов для регулирования частоты генераторов, выполненных на логических микросхемах. Если следовать данным рекомендациям, то в качестве управляющего сигнала,  для частоты УПП можно использовать факт подачи напряжения питания на регулятор и, соответственно, сформировать плавное изменение частоты этого генератора от минимальной частоты до максимальной в течение желаемого промежутка времени.

Рис. 3

На Рис 3 отдельно показан генератор с возможностью плавного увеличения частоты генерации от момента подачи питания. Напряжение на конденсаторе с2 растет по закону экспоненты по времени, которое зависит от параметров резистора R3  и конденсатора С2. После выключения устройства конденсатор С2 быстро разряжается через диод VD, подготавливая схему к повторному включению. При необходимости не экспоненциального, а , к примеру , линейного закона изменения частоты генератора заряд емкости С2 осуществляют через генератор тока. Практически любая желаемая траектория изменения частоты реализуется на базе микроконтроллеров, с формированием аналогового сигнала либо с помощью скоростного ШИМ, либо, - с помощью отдельного интегрального ЦАП.

В заключение отметим несколько «подводных камней» о которых следует не забывать, имея дело с трехфазными регуляторами  мощности с импульсно-фазовым управлением.

1. Силовые приборы симисторы и тиристоры, применяемые в схемотехнике таких регуляторов работают в более жестких условиях эксплуатации, а следовательно должны выбираться с некоторым запасом относительно максимально допустимых параметров тока и напряжения.
2. Трехфазные регуляторы мощности с импульсно-фазовым управлением при работы могут «кошмарить» питающую сеть высокочастотными помехами. Для защиты от таких помех иногда помогают дроссельные реакторы или сетевые фильтры, которые следует устанавливать пофазно до подключения к регулятору.
3.  Для УПП наиболее хитрые разработчики устанавливают специальные компактные реле, которые включаются после окончания собственно плавного пуска мотора с целью экономии на мощности силовых полупроводниковых приборов, а, следовательно, и величины радиаторов для них. Эти реле своими контактами просто шунтируют эти силовые полупроводниковые приборы. Возможно, что и в процессе выключения УПП,  для увеличения долговечности контактов такого реле, силовые симисторы сначала «подхватывают» задачу коммутации и, после размыкания контактов реле, – уже окончательно разрывают силовую цепь.

Литература:

1. //cxem.net/pitanie/5-313.php
2. Шелестов И.П.,Радиолюбителям - полезные схемы - книга 4. . 2001.   

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}